memoria placas solares

7/25/2019 memoria placas solares

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FACULTAD DE FSICA

Clulas solaresExperimentos 4 y 5

Iago Lpez Grobas

25/03/2014E-mail: [email protected]

Resumen

Cuando se utilizan placas solares para la obtencin de energa, uno de los principales factores atener en cuenta es que la luz solar no siempre incide sobre el panel con la misma intensidad.Para ver dicha dependencia har un estudio sobre la variacin tanto de la tensin en circuitoabierto como de la intensidad que circula por las placas en cortocircuito al ir variando lacantidad de radiacin incidente. Esta ltima depende del ngulo de incidencia de la luz solarvara en funcin de la hora del da y de la estacin del ao. Por ejemplo, los rayos de luz queinciden por la maana lo hacen con un ngulo diferente que los rayos que inciden al medio da.As pues, me dispongo a tratar la relacin entre dicho ngulo y la corriente de cortocircuito deuna placa solar. En una primera parte de la segunda experiencia hago una simulacin deinclinacin del panel (que sera simular la inclinacin del sol con la estacin del ao para un

panel fijo), para la segunda parte lo que se har ser, para una inclinacin fija del panel, unestudio de la evolucin del ngulo de incidencia de la radiacin sobre el panel en funcin del punto cardinal en el que se encuentre el sol (simulacin de la evolucin a lo largo del da).


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1. Introduccin

Experimento1

Las placas solares son elementos encargados de transformar la radiacin solar en energaelctrica. Dicha conversin se produce gracias a la interaccin de la radiacin luminosa con loselectrones de valencia en los medios semiconductores. Para ver de forma clara como se produce dicho proceso voy a considerar una clula fotovoltaica de silicio cristalino.

Un tomo de silicio tiene 14 electrones de los cuales cuatro estn en la capa de valencia. Estosltimos se caracterizan porque pueden interactuar con otros tomos, tanto de silicio como de otroselementos. Dos tomos adyacentes de un cristal de silicio puro tienen en comn un par de electrones,uno de los que pertenece al tomo considerado, mientras que el otro pertenece al tomo cercano.

Hay, pues, un fuerte enlace electrosttico entre un electrn y los dos tomos que contribuye amantener unidos. Este enlace puede romperse aportando energa de modo que, si la energa suministradaes suficiente, el electrn es llevado a un nivel energtico superior (banda de conduccin), donde es librede desplazarse, contribuyendo as al flujo de electricidad. Cuando pasa a la banda de conduccin, elelectrn deja detrs de s un vaco donde falta un electrn que puede ser llenado por un electrn cercano.

Ahora bien, cmo se aprovecha este efecto para producir corriente? Se aplica un campoelctrico dentro de la clula creando as un movimiento ordenado de electrones. El campo se realizacreando un exceso de tomos cargados positivamente en una parte del semiconductor, y un exceso detomos cargados negativamente en el otro. Esto se hace introduciendo pequeas cantidades de tomosde boro (cargados positivamente) y de fsforo (cargados negativamente) en la estructura cristalina delsilicio, es decir, dopando el semiconductor.

La atraccin electrosttica entre las dos especies atmicas crea un campo elctrico fijo pues, enla capa dopada con fsforo, que tiene cinco electrones exteriores o de valencia contra los cuatro desilicio, est presente una carga negativa, formada por un electrn, llamado "de valencia", para cada

tomo de fsforo. Por otro lado, en la capa dopada con boro, que tiene tres electrones exteriores, sedetermina una carga positiva en exceso, formada por los huecos presentes en los tomos de boro cuandose combinan con el silicio.

La primera capa, de carga negativa, se indica con N, la otra, de carga positiva, con P, la zona deseparacin se llama unin P-N. Al aproximar las dos caras se crea trfico de electrones desde la zona Nhasta la zona P. El resultado es un campo elctrico interno al dispositivo que separa los electrones enexceso generados por la absorcin de la luz por parte de los huecos correspondientes, empujndoloshacia direcciones opuestas de manera que un circuito exterior pueda recoger la corriente as generada.

Experimento 2El aprovechamiento de energa a travs de las placas solares depende de la disponibilidad de la

radiacin solar que vara de manera importante en los diferentes climas y regiones. Un mdulofotovoltaico puede ocupar cualquier posicin sobre la superficie terrestre, por lo que el ngulo deincidencia puede variar notablemente. Los factores de que depende este ngulo de incidencia son:

Declinacin: ngulo que forma un cuerpo celeste con el ecuador.


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10 el mximo de intensidad lumnica) es el emisor de luz del sistema (que simula un posible Sol). Conun multmetro conectado a las placas puedo medir tanto la intensidad de corriente como la tensin quecircula por las placas.

Para estudiar la dependencia de la tensin en vaco y de la corriente en cortocircuito, seconectan dos clulas en paralelo con el fin de conseguir un nivel de corriente ms alto y hacer as mscmoda la toma de medidas. Una vez conectadas las placas, y el multmetro en paralelo a los dos paneles, voy variando la intensidad lumnica del foco y recojo los valores correspondientes de tensin eintensidad.

Como voy a realizar el estudio en funcin de la intensidad incidente, tomo el sensor deradiacin y determino as la intensidad lumnica que incide sobre la superficie del panel.

Experimento 2Para simular la posicin del sol a lo largo de un ao lo que hice fue rotar el panel sobre el que

descansa la placa solar. As pues, fijando la intensidad lumnica del foco, conecto un multmetro a laclula en funcionamiento para ver cul es la intensidad en cortocircuito. La inclinacin del panel varade 15 en 15 pues es la mnima graduacin de la escala de este.

En la segunda parte, quiero ver cmo vara la corriente producida por el panel a lo largo de unda. Para ello lo que hago es mover el foco emisor a lo largo de una semielipse cuyos extremos son elEste y el Oeste y cuyo centro es el sur anotando para cada posicin la corriente obtenida. Ahora hay quefijar entonces el ngulo de inclinacin del panel a 90 (perpendicular al foco de luz). Adems, para estecaso utilizo los dos paneles centrales conectados en paralelo para producir mayor intensidad de corriente.

3. Resultados Experimento 1A continuacin se presenta una tabla con las medidas obtenidas junto a sus incertidumbres. Para

la determinacin de estas hay que tener en cuenta que la medida de la tensin era muy inestable para

cada intensidad por lo que coger una incertidumbre mayor que la de la mnima graduacin de escala.Con la corriente pasaba algo parecido pero las fluctuaciones eran mucho menores.Posicin lmpara Intensidad de

radiacin Tensin en vaco

Corriente encortocircuito

0 3,22 128,8 1,631 3,61 232,0 4,402 4,21 277,0 7,573 9,77 384,0 19,084 22,8 442,0 39,705 44,1 485,0 39,206 64,80 510,0 147,607 100,0 195,4 291,008 147,6 540,0 419,009 179,4 542,0 491,0010 184,8 542,0 477,00

Ahora hago una grfica cuyo eje de abcisas sea la intensidad de radiacin que marcaba el medidor ycuyos ejes verticales sean la tensin creada y la corriente recogida para cada intensidad.


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Est claro que el punto sealado en la grfica en rojo ha tenido que ser mal cogido pues norefleja para nada la tendencia del resto de medidas. Al igual pasa con el punto rojo de las corrientes pues disminuy para una intensidad de radiacin ms grande lo cual no tiene sentido.

Experimento 2

A continuacin se presentan los datos obtenidos en las medidas junto a sus incertidumbrescorrespondientes a la primera parte del experimenta.

Inclinacin del panel () 90 75 60 45 30 15 0Corriente de cortocircuito (mA) 133 136 135 129 106 45 5

Para ilustrar los resultados hago una grfica cuyo eje X es la inclinacin del plano y el eje Y lacorriente:

En esta grfica se observa que la intensidad de corriente va cayendo a medida que inclinamosms la placa, es decir, a medida que esta est menos perpendicular al foco. De hecho, en 0 no se

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0 50 100 150 200

C o r r i e n t e ( m A )

T e n s i

n

( m V

)

intensidad lumnica (W/m^2)

corriente

Voltaje

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100

C o r r i e n t e ( m A

)

Inclinacin ()


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debera generar corriente pues no recibe luz del foco, por lo que, la poca que obtenemos viene de la luzambiente.

Ahora hago lo mismo para la segunda parte del experimento:Orientacin Este Este SE SE Sur SE Sur Sur SE Sur O Oeste SO Oeste

Corriente (mA) 7 64 79 84 87 88 87 80 9Graficando los datos:

Como era de esperar, los mximos de la corriente se detectan cuando el foco se encuentrarealizando aproximadamente un ngulo de 0 con la perpendicular al panel aunque se nota ciertodesplazamiento de la distribucin hacia el Oeste debido a que se tomaron las medidas para una placaque estaba desplazada hacia es direccin.

4. Discusin

Experimento 1

En cuanto a la tensin en vaco, en la grfica se observa que al principio crece mucho a medidaque se aumenta la intensidad de radiacin. Sin embargo, a partir de cierto valor las medidas empiezan aestabilizarse pues se llega a un lmite mximo del que no se puede pasar. La corriente de cortocircuito,sin embargo, tiene un aumento aproximadamente lineal, de manera que cada vez que hay ms luz lacorriente aumenta en proporcin.

Experimento 2

En la primera parte, a pesar de que lo realmente esperado es que se haya obtenido que para 90se obtuviese la corriente mxima, esta se ha conseguido para 75, es decir, con una leve inclinacin del panel. Incluso la de 60 supera al ngulo recto. Esto es debido a que cuando las placas se inclinan,tambin se acercan al foco. Evidentemente, en un sistema Tierra-Sol, este efecto es insignificante puesla distancia entre los astros es enorme comparado con lo que se desplaza la placa. Sin embargo, en ellaboratorio la distancia entre el foco y la clula es del orden de magnitud de la distancia que se aproximala placa.

Ahora supongamos que quiero poner una placa en Santiago que est a 42,5 N, cmo debocolocar mi placa para obtener la mxima corriente posible?

Este

Este SE

SESur SE Sur

Sur SE Sur OOeste SO

Oeste

0

10

2030

40

50

60

70

80

90

100

C o r r i e n t e

( m A

)

Orientacin


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Para responder a esto primero, hay que tener en cuenta que el plano ecuatorial de la Tierra estinclinado con respecto a la lnea que une Tierra-Sol 2327. Estos hay que aadrselos al ngulo de lalatitud a la que est Santiago (ver Figura 1).

Para poner mi placa solar imagino que estoy en la superficie de la Tierra. Quiero ver cunto deinclinada est esta placa si formara 90 con el segmento que une el centro del planeta con Santiago. Estome permite describir el sistema por un conjunto de dos tringulos rectngulos (ver Figura 2). El nguloque forma a1 con la horizontal es el que forma la placa solar con el ecuador de la Tierra. Si me fijo en eltringulo de la derecha y sabiendo que la latitud son 42,5 y que es un tringulo rectngulo tengo:

. Como la placa forma 90 con la hipotenusa a2 obtengoinmediatamente ; y por fin siguiendo el mismo razonamiento que antes obtengoque el ngulo de inclinacin de la placa respecto a la horizontal son. Esto es lo que est inclinadala placa respecto al ecuador de la Tierra pues lo que se representa en la figura 2 no es ms que eltringulo DDC de la figura 1. A este ngulo obtenido hay que aadirle la inclinacin del ecuadorobteniendo: . Esto es lo inclinada que estara la placa por lo que para que losrayos del Sol incidieran formando un ngulo recto en la placa tendramos que rotarla esta cantidad (yo

en el laboratorio obtuve que la mxima corriente se obtiene para 75 no para 90 por lo que tendra querotar la placa 25 menos).

Figura1. Esquema de la situacin Sol-Tierra en donde aparecen representadas la rectaque pasa por el ecuador y su perpendicular as como el segmento que une el centro del planeta con un punto que representa Santiago.

Sol Tierra


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Figura 2. El cateto representado en negro es la placa solar puesta en la superficie de laTierra. Ambos tringulos estn unidos por un cateto que forma un ngulo recto con lahorizontal (lnea del ecuador. El ngulo que forman a2 y b2 es 42,5 la latitud deSantiago.

Estos clculos estn hechos para una posicin fija del Sol pero al ir transcurriendo las estacionescambia la inclinacin con la que llegan los rayos por lo que el ngulo depende de la estacin del aoen la que estemos.

En cuanto a la segunda parte, los resultados han sido como esperaba pues se obtiene menoscorriente al amanecer y al anochecer (Este y Oeste) y justo pasando el medioda (Sur) se obtiene lamxima intensidad de corriente.

5. ConclusinEn cuanto a la primera parte del segundo experimento, los clculos estn hechos para una

posicin fija del Sol pero al ir transcurriendo las estaciones cambia la inclinacin con la que llegan losrayos por lo que el ngulo depende de la estacin del ao en la que estemos adems de los otros factoresexplicados en la introduccin. En la segunda parte, los resultados han sido como esperaba pues seobtiene menos corriente al amanecer y al anochecer (Este y Oeste) y justo pasando el medioda (Sur) seobtiene la mxima intensidad de corriente.

6. Referencias

http://www.enerpoint.es/photovoltaic_technology_2.php

http://alumno.us.es/a/amaluqsen/termo1.pdf

http://www.solartronic.com/download/radiacion.pdf Material didctico del aula.
http://www.enerpoint.es/photovoltaic_technology_2.phphttp://www.enerpoint.es/photovoltaic_technology_2.phphttp://alumno.us.es/a/amaluqsen/termo1.pdfhttp://alumno.us.es/a/amaluqsen/termo1.pdfhttp://www.solartronic.com/download/radiacion.pdfhttp://www.solartronic.com/download/radiacion.pdfhttp://www.solartronic.com/download/radiacion.pdfhttp://alumno.us.es/a/amaluqsen/termo1.pdfhttp://www.enerpoint.es/photovoltaic_technology_2.php

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